Halbach陣列磁體是由多個(gè)不同磁化方向磁塊按規(guī)律組裝而成的永磁體構(gòu)型。得益于磁材利用率高、均勻性高、逸散場小的優(yōu)勢，Halbach陣列磁體在一些對于體積要求緊湊、可移動(dòng)、可實(shí)時(shí)和原位檢測的場景中得到廣泛應(yīng)用。近年來，因高均勻度多層Halbach磁體的研究和發(fā)展，便攜型核磁共振系統(tǒng)成為低場磁共振系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。然而，由于設(shè)計(jì)理論不完善，現(xiàn)磁體設(shè)計(jì)方法多采用近似計(jì)算或有限元仿真，存在計(jì)算精度不高、仿真優(yōu)化費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問題。磁體幾何參數(shù)如何影響磁場強(qiáng)度及均勻度，以及磁塊自身誤差如何影響均勻度等核心科學(xué)問題尚待闡釋。因此，亟需為多層Halbach磁體設(shè)計(jì)提供較為普遍適用的設(shè)計(jì)理論方法。
中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所研究員楊曉冬團(tuán)隊(duì)桌面磁共振波譜組構(gòu)建了多層Halabch磁體優(yōu)化理論，證明了多層Halbach陣列磁體中沿z軸的不均勻性最大；基于單層Halbach磁體磁場分布方程推導(dǎo)證明，建立多層Halbach磁體設(shè)計(jì)和優(yōu)化模型。同時(shí)，該研究簡化了多層Halbach陣列磁體的設(shè)計(jì)，仿真驗(yàn)證了基于不同半徑、每層Halbach陣列長度和各層磁體間距的優(yōu)化結(jié)果。該工作設(shè)計(jì)了由三層Halbach磁體組成的1T-Halbach陣列磁體驗(yàn)證理論結(jié)果。在調(diào)整磁體中可移動(dòng)磁塊位置后，在5 mm標(biāo)準(zhǔn)核磁共振管內(nèi)實(shí)現(xiàn)了220ppm的均勻性。
該研究為設(shè)計(jì)多層Halbach陣列磁體奠定了理論基礎(chǔ)，以最大化均勻性并最小化磁體材料的使用，提高磁體制作效率、降低磁體加工制作成本，推動(dòng)高均勻性Halbach磁體在桌面波譜儀以及小型磁共振設(shè)備的研究和應(yīng)用。
【資料圖】
科研團(tuán)隊(duì)基于這一設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)制作了0.5T、1T等多套Halbach磁體。該團(tuán)隊(duì)為華中科技大學(xué)、華東師范大學(xué)等提供了基于多層Halbach的緊湊型永磁桌面波譜系統(tǒng)，磁體重量在6kg以內(nèi)，被動(dòng)勻場后場均勻度在20ppm以內(nèi)；在另一套0.5T磁體系統(tǒng)上實(shí)施主動(dòng)勻場，場均勻度可達(dá)0.5ppm。后續(xù)，有望基于該理論設(shè)計(jì)制作高達(dá)2 T的高均勻性Halbach磁體，為研制高性能桌面核磁共振波譜儀、桌面核磁共振成像儀奠定基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果以Theoretical foundation for designing multilayer Halbach array magnets for benchtop NMR and MRI為題，發(fā)表在Journal of Magnetic Reaonance上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等的支持。
圖1.研究提出的多層Halbach陣列磁體理論模型(a)及磁場均勻性補(bǔ)償模型(b)
圖2.基于該理論設(shè)計(jì)的磁體(a)及基于該磁體采集到的譜線(b)
圖3.桌面0.5T核磁共振磁體系統(tǒng)
來源：中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所
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